(57)【要約】【課題】トランジションピース内の高温ガス流のためのシステムおよび装置を提供すること。【解決手段】高温ガス流のための方法、システム、および装置が本明細書において開示されている。ある実施形態では、トランジションピースが、おおよそトランジションピースの前端部からトランジションピースの後端部まで伸びているおおよそ直線の経路に合致する表面を含み、該表面はガス流を方向付けるのを助ける可能性がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジションピースであって、前記トランジションピースのおおよそ前端部および後端部から前記トランジションピースの長手方向に伸びているおおよそ直線に合致する表面を含むトランジションピースにおいて、前記表面はガス流を方向付けるのを助ける、トランジションピース。
【請求項２】
前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースへの別個のアタッチメントである、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項３】
前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの上死点に配置されている、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項４】
前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの上部に配置されている、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項５】
前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの側部に配置されている、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項６】
前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの底部に配置されている、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項７】
前記トランジションピースは、前記おおよそ直線に合致する前記表面の線経路に合致する形状を有する第１段ノズルに隣接している、請求項１記載のトランジションピース。
【請求項８】
トランジションピースであって、前記トランジションピースのおおよそ前端部および後端部からのおおよそ直線に合致する表面を含む、トランジションピースにおいて、前記表面はガス流を方向付けるのを助ける、トランジションピースと、
第１段ノズルであって、前記トランジションピースに隣接しておりかつ前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面の線経路に合致するように成形されている、第１段ノズルと
を含む、システム。
【請求項９】
介在する装置をさらに含み、前記介在する装置は、前記トランジションピースの前記前端部と前記第１段ノズルの端部との前記経路に沿っており、前記介在する装置は、前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面の前記直線経路に合致するように成形されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースへの別個のアタッチメントである、請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの側部に配置されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの上部に配置されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの上死点に配置されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの底部に配置されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
前記トランジションピースの前記おおよそ直線に合致する前記表面は、前記トランジションピースの側部に配置されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１６】
第１のトランジションピースの前端部から前記第１のトランジションピースの後端部まで、おおよそ直線の経路を作り出すステップと、
前記第１のトランジションピースの前記おおよそ直線の経路に合致する、前記第１のトランジションピースの表面を作り出すステップであって、前記表面はガス流を方向付けるのを助ける、作り出すステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記第１のトランジションピースの前記おおよそ直線の経路に合致する前記第１のトランジションピースの前記表面に合致する第２のトランジションピースを作り出すステップ
をさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記おおよそ直線の経路は、前記トランジションピースへの別個のアタッチメントである、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のトランジションピースの前記作り出された部分は、前記トランジションピースの上部に配置されている、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記おおよそ直線の経路に合致する第１段ノズルの部分を作り出すステップであって、前記第１段ノズルは前記第１のトランジションピースに隣接している、作り出すステップ
をさらに含む、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において開示されている主題は、全般的に燃焼システムに関し、より具体的には、高温ガス流に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の缶型環状ガスタービンエンジンでは、複数の燃焼器が、エンジンの周囲に略環状の配列で配置されている。該燃焼器は、エンジンの圧縮機から加圧空気を受け取り、燃料を加えて燃料／空気混合物を作り出し、その混合物を燃焼させて高温ガスを生成する。燃焼器を出る高温ガスはタービンを回転させるのに利用され、タービンはシャフトに連結されており、シャフトは発電機を駆動して発電させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第１３／４４６，７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高温燃焼ガスは、トランジションピースまたはダクトにより、燃焼器ライナからタービンへ運ばれる。トランジションピースを通って流動する高温燃焼ガスは、そのダクト構造を非常な高温に晒し、トランジションダクトの修理および交換を必要とする早期劣化を招く可能性がある。他の比較的損傷を受けていないトランジションピースの相当なひびにより、トランジションピース全体の交換が必要になる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
高温ガス流のための装置、方法、およびシステムが本明細書において開示されている。ある実施形態では、トランジションピースが、トランジションピースのおおよそ前端部および後端部からトランジションピースの長手方向に伸びているおおよそ直線に合致する表面を有し、該表面は高温ガスを方向付ける。
【０００６】
ある実施形態では、システムが、トランジションピースのおおよそ前端部および後端部からのおおよそ直線に合致する表面であり、ガス流を方向付けるのを助ける表面と、第１段ノズルであり、トランジションピースに隣接しておりかつトランジションピースのおおよそ直線に合致する表面の線経路に合致するように成形されている、第１段ノズルとを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態では、第１のトランジションピースの前端部から第１のトランジションピースの後端部までのおおよそ直線の経路を作り出すステップと、第１のトランジションピースのおおよそ直線の経路に合致する第１のトランジションピースの表面を作り出すステップであり、該表面はガス流を方向付けるのを助ける、作り出すステップとを含む方法がある。
【０００８】
本発明の「発明の概要」は、「発明を実施するための形態」にさらに後述されている、簡略化された形でのコンセプトの抜粋を紹介するために設けられている。本発明の「発明の概要」は、特許請求されている主題の重要な特徴および必須の特徴を確認することを目的としておらず、特許請求されている主題の範囲を限定するために用いられることも目的としていない。さらに、特許請求されている主題は、本開示の任意の部分に記載されている任意のまたは全ての欠点を解決する限度に限定されない。
【０００９】
さらに詳細な理解が、添付図面と併せて例として与えられている以下の記載からもたらされる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】トランジションピースの例示的な図である。
【図２】直線の上部パネルを備えたトランジションピースの例示的な図である。
【図３】ピーク熱伝達係数（ｐｅａｋ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）への、トランジションピース本体角度の影響を示す例示的グラフである。
【図４】最大接線および対応する角度を有するトランジションピースの図である。
【図５】最大接線および対応する角度を有するトランジションピースの図である。
【図６】最大接線および対応する角度を有するトランジションピースの図である。
【図７】最大接線および対応する角度を有するトランジションピースの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、トランジションピース１００の例示的な図である。トランジションピース１００は、前（入口）端部１０５と後（出口）端部１１０とを有する。高温ガスは、入口１０５内に流入し、トランジションピース１００の長さを通って流動する。高温ガスは、出口１１０でトランジションピース１００を出る。トランジションピース１００は湾曲またはへこみ１１５を有する。湾曲１１５は、トランジションピース壁に衝突する高温ガスに因り、トランジションピースの寿命を制限する部分である可能性がある。該湾曲付近に冷却空気を配置するなど、寿命を制限する問題を解決するために多くの試みがなされてきたが、これらの解決策は、通常、タービン性能に関する相当な代償を伴う。
【００１２】
トランジションピースの寿命を制限する領域は、そこに、トランジションピースの他の領域より高い温度を有することが多いことが分かっている。これらのより高い温度は、タービンの始動から停止までのサイクル毎に、より強度の歪み範囲を生じさせる可能性がある。経時的に、これら歪みサイクルは蓄積し、トランジションピースの寿命の限界となる可能性がある。これらのより高い温度はまた、トランジションピース材料の酸化を引き起こす可能性がある。経時的に、この酸化は蓄積し、トランジションピースの寿命の限界となる可能性がある。トランジションピースのその他の部分の比較的損傷を受けない性質に関わらず、トランジションピースの特定の領域に相当な損傷（例えば、ひび）があった場合、トランジションピース全体が交換される。
【００１３】
数値流体力学（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｆｌｕｉｄ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）による実験および他の分析技術により、最高温側（ｈｉｇｈｅｓｔ  ｈｏｔ  ｓｉｄｅ）の熱伝達が生じるところに位置している線状断面プロファイルを有するトランジションピースが、高温ガスの衝突を減少させ、したがって、トランジションピースの寿命を伸ばす可能性があることが示されている。その結果として、トランジションピースは、その除去が必要になる前に、より長い寿命を有する可能性がある。図１では、トランジションピース１００の長さに伸びている代表的直線１２０がある。直線１２０は、燃焼器ライナと連結するトランジションピースの前端部付近で終端していてもよい。直線１２０は、後部フレームを通ってトランジションピースの長さに伸びている。トランジションピースの高温ガス流に沿った内面が、直線１２０に合致するように修正される（例えば、金属の挿入および／またはトランジションピース壁の操作）か、または（例えば、原型から）直線１２０に合致するように作り出されてもよい。実施されたように、直線が、トランジションピースの任意の円周位置にあってもよい。
【００１４】
図２は、前端部２０５と後端部２１０との間で線形上死点（ＴＤＣ）移行を実施しているトランジションピースの例示的な図である。前端部２０５は円形であってもよく、後端部２１０は長方形形状を有していてもよい。上部付近の２１５におけるトランジションピースは、前端部２０５から後端部まで長手方向に伸びる直線２１６に合致していてもよい。トランジションピース２００の底部および側部は、トランジションピースの上部２１５を真っ直ぐに保ちながら、特定の横断面領域を維持するように成形されていてもよい。
【００１５】
図３は、ピーク熱伝達係数（ＨＴＣ）への、トランジションピース本体角度の影響に関する例示的グラフの図である。図３に示されている通り、燃焼器の中心線に対する上部パネルの角度が大きいほど、高温側のピークＨＴＣが高い。角度は外形の最大接線から形成される。本明細書に記載されている最大接線は、燃焼器の中心線と共に最大角度を作り出すであろう特定の外形に関する接線の代表となるものである。そのため、パネルに大きなへこみがある場合、へこみの接線と燃焼器の中心線との間に大きな角度が形成される。
【００１６】
ピークＨＴＣが、最大接線角度を修正することにより制御されてもよく、したがって、図２の２１６の場合のような直線表面は、（例えば、２１６の）表面線自体と平行な最大接線を有し、可能な最小接線角度および最小のピークＨＴＣを有する。トランジションピースを通って伸びる燃焼器の中心線は高温ガス流の方向を示すことに留意されたい。そのため、燃焼器の中心線に対する最大接線角度が大きいほどＴＰ壁内への高温ガスの衝突が大きい。図３は、接線角度が大きいほどＴＰ壁内への高温ガスの衝突（または激突）が大きく、それによりＴＰの寿命が短縮する可能性があることを示す。
【００１７】
図４、図５、および図６は、最大接線および対応する角度を有するトランジションピースの図である（正確な縮尺ではない）。トランジションピース４００は、接線４１５に対応する外形４０５を有する。トランジションピース５００は、接線５２０に対応する外形５０６を有する。トランジションピース６００は、接線６２５に対応する外形６０７を有する。トランジションピース７００は、接線７１５に対応する表面７０５を有する。線４１０、５１０、６１０、および７１０は、隣接する燃焼器の中心線に対応する。角度４１６が、接線４１５と中心線４１０とにより外形４０５に関して形成されている最大角度に対応する。角度５２１が、接線５２０と中心線５１０とにより外形５０６に関して形成されている最大角度に対応する。角度６２６が、接線６２５と中心線６１０とにより外形６０７に関して形成されている最大角度に対応する。角度７１６が、接線７１５と中心線７１０とにより外形７０５に関して形成されている最大角度に対応する。角度４１６は角度５２１より大きく、角度５２１は角度６２６より大きく、角度６２６は角度７１６より大きい。本明細書において検討されている通り、接線４１５に対応する外形に関連する熱伝達係数（ＨＴＣ）（以後、ＨＴＣ−４１５）は、接線５２０の外形に対応するＨＴＣ（以後、ＨＴＣ−５２０）より大きい。ＨＴＣ−５２０は、接線６２５の外形に対応するＨＴＣ（以後、ＨＴＣ−６２５）より大きい。ＨＴＣ−６２５は、接線７１５の外形に対応するＨＴＣ（以後、ＨＴＣ−７１５）より大きい。ピークＨＴＣは最大接線角度により制御される可能性があるので、最小接線角度を有する、後端部から前端部までの直線最大接線が、トランジションピースの比較的小さいピークＨＴＣおよびより長い寿命のために検討される。
【００１８】
図４、図５、および図６は、外形および対応する最大接線を強調している。先行技術の実施形態では、図１に示されている通り、通常は実質的な外形または後端部付近の湾曲を有して、前端部から後端部までトランジションピースの長さに沿って、いくつかの外形が認められる可能性がある。図７は、直線に合致する表面を有するトランジションピースを示す。トランジションピース７００の真っ直ぐな表面線７０５は、その長さに沿って零曲率を示す。ある実施形態では、直線に合致するトランジションピースの表面が、ピークＨＴＣを最小化する可能性があるおおよその零曲率を有していてもよい。
【００１９】
ある実施形態では、トランジションピースからの直線は、Ｓ１Ｎ内に伸びていてもよいが、その内部で終端する直線に介在する装置が合致するように続く可能性がある。ＣＦＤおよび他の分析により、本明細書において開示されている直線トランジションピースが、上部パネルの線状配列に続くＳ１Ｎと併用される場合、トランジションピースの寿命に関して、トランジションピースの寿命を延ばすことでさらなる利益が得られることが示されている。直線は、ライナ連結部の端部付近で開始し、高温ガス経路のＳ１Ｎ内に伸びていてもよい。本明細書において開示されている直線は、おおよそ真っ直ぐであってもよく、中心線とＴＰの最大接線との間に最小角度を作り出してもよい。
【００２０】
図に示されている通り、本開示の主題の好適な実施形態を記載することにおいて、明確にするために特定の専門用語が使用されている。しかし、特許請求されている主題は、そのように選択された特定の専門用語に限定されることを目的としておらず、各特定の要素が、同様の方法で動作して同様の目的を達成する全ての技術的等価物を含むことを理解すべきである。本明細書において開示されている例が、上部パネルに適用されると同時に、側部および底部にも適用される可能性がある。
【００２１】
本明細書は、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示しており、また、任意のデバイスまたはシステムを作製することおよび使用すること、ならびに任意の援用された方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実践することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定められ、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と僅かしか異ならない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内に入るものとする。
【符号の説明】
【００２２】
１００、２００、４００、５００、６００、７００  トランジションピース
１０５  前（入口）端部
１１０  後（出口）端部
１１５  湾曲、へこみ
１２０  代表的直線
２０５  前端部
２１０  後端部
２１５  （トランジションピースの）上部
２１６  直線、表面線
４０５、５０６、６０７  外形
４１０、５１０、６１０、７１０  中心線
４１５、５２０、６２５、７１５  接線
４１６、５２１、６２６、７１６  角度
７０５  表面、表面線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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